無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)卡配置、帶寬分配和調(diào)度相關(guān)問題研究.pdf

1、最近幾年，作為寬帶無線接入非常重要技術(shù)之一的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)(WMN-Wireless Mesh Networks)正倍受科學(xué)家和工程師的關(guān)注，它可以大大增加無線系統(tǒng)的覆蓋范圍，同時(shí)可以提高無線系統(tǒng)的帶寬容量以及通信可靠性，是無線寬帶接入的一個(gè)理想解決方案。 使用WMN作為無線接入的骨干網(wǎng)激發(fā)了大量的無線帶寬需求。但是，在并發(fā)傳輸之間的無線干涉使得網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的容量急劇下降。為了減輕無線干涉的影響，增加并發(fā)傳輸?shù)膸?，兩?xiàng)新的天線技

2、術(shù)被引入到無線mesh網(wǎng)絡(luò)中：多信道多網(wǎng)卡技術(shù)(MCMI-Multiple Channel Multiple Interface)和多進(jìn)多出天線技術(shù)(MIMO-Multiple Input Multiple Output)。MCMI技術(shù)在可能產(chǎn)生干涉的鏈路上使用多條互不重疊的通訊信道來最大化并發(fā)傳輸，提高系統(tǒng)的吞吐量。例如，IEEE802.11b/g和802.11a標(biāo)準(zhǔn)可以分別使用3個(gè)或12個(gè)互不干涉的信道。同時(shí)，由于MIMO天線技術(shù)有

3、著空間復(fù)用和干擾抑制的特性，因而在無線傳輸中使用MIMO技術(shù)是另一個(gè)可以減少干涉提高系統(tǒng)容量的方法。 在這篇博士論文中，我們針對(duì)這兩種技術(shù)，分別研究它們?cè)跓o線mesh網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)卡(天線)配置，帶寬分配和調(diào)度的相關(guān)問題： ·由于增加了并發(fā)傳輸，避免了信道干擾，多信道多網(wǎng)卡的無線mesh網(wǎng)絡(luò)有很大的潛力來提升網(wǎng)絡(luò)容量，增加節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)墓叫?。但是，很多WMN的信道調(diào)度算法都提前假設(shè)了每個(gè)無線路由器中都平均配置相同數(shù)目的網(wǎng)卡。在

4、第三章中，對(duì)于網(wǎng)卡配置和帶寬分配問題，我們研究在保證節(jié)點(diǎn)應(yīng)用基本需求的情況下，同時(shí)減少網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建成本并增加節(jié)點(diǎn)的吞吐量。我們提出每個(gè)節(jié)點(diǎn)平均網(wǎng)卡配置方案不是必須的，也不是高效的，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)之間的干擾以及通訊負(fù)載的分布都是影響帶寬并發(fā)使用的重要因素。在優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能中，最大的挑戰(zhàn)就是怎樣能夠定量的分析網(wǎng)卡配置，帶寬分配和調(diào)度之間的內(nèi)在關(guān)系。更進(jìn)一步，我們對(duì)這些配置和調(diào)度的問題定義了新的問題空間。把復(fù)雜的多參數(shù)問題進(jìn)行了分解和形式化成為定義良好

5、的單階段或多階段分步解決的子問題。在使用線性規(guī)劃方法給出最優(yōu)解的同時(shí)，我們分析了網(wǎng)絡(luò)傳輸和干涉的數(shù)學(xué)模型，提出了更高效的啟發(fā)式算法。使得在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不停發(fā)生變化，需要實(shí)時(shí)重新計(jì)算系統(tǒng)性能時(shí)，這些高效算法能提供在線的決斷。通過大量的系統(tǒng)仿真，我們驗(yàn)證了這些算法能逼近線性規(guī)劃得出的最優(yōu)解。相對(duì)于平均的網(wǎng)卡配置方案而言，我們用更小的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成本實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)性能的提升。 ·相對(duì)于傳統(tǒng)的天線技術(shù)，由于有著空間復(fù)用和干擾抑制的特性，MIMO天線

6、在提高網(wǎng)絡(luò)容量上有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。為了更好的利用MIMO技術(shù)在并發(fā)傳輸上的特點(diǎn)，研究人員提出了大量網(wǎng)絡(luò)跨層性能優(yōu)化的算法以及MAC層的設(shè)計(jì)來增加無線mesh網(wǎng)絡(luò)或是ad hoc網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。但是，這些研究都假設(shè)節(jié)點(diǎn)的天線陣列是給定的或是每個(gè)節(jié)點(diǎn)都使用同樣的天線陣列(K×K，K為常數(shù))。在第四章中，我們的研究表明在這些無線路由節(jié)點(diǎn)中，如果為每個(gè)天線陣列都配置同樣多的天線單元對(duì)于提升系統(tǒng)性能來說并不是必須的。因?yàn)閷?duì)于不同的路由節(jié)點(diǎn)，對(duì)天線單元的

7、需求是不一樣的；尤其是那些有著巨大的匯聚通訊流量的路由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，更多的天線單元不僅能增加并發(fā)傳輸，也可以用來提高對(duì)周圍無線干擾的抑制作用?；谶@個(gè)觀點(diǎn)，我們定義了天線單元配置，帶寬分配和調(diào)度的聯(lián)合問題，來定量的分析跨層優(yōu)化方案對(duì)系統(tǒng)容量的提升。我們提出了一個(gè)代價(jià)相關(guān)天線單元配置技術(shù)(CAEA-Cost-Aware Element Assignment)來保證最優(yōu)帶寬分配的前提下，最小化天線配置的總成本。同時(shí)，為了驗(yàn)證CAEA配置的效率，